CN1330866C - 用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统 - Google Patents

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Abstract

为了限制在负载突然变化后的火焰温度峰值，将相应控制单轴燃气涡轮机(18)的、具有可变几何形状分配器叶片(13)的预定位置；特别是，所述控制系统包括直接作用调节器(21)，它包括：计算单元(22)，该计算单元可以建立燃气涡轮机(18)的简化运行模型；以及反馈调节器(20)，该反馈调节器可以校正直接作用调节器(21)的任何不准确性，该不准确性由于燃气涡轮机(18)的性能相对于所述模型的预定性能发生变化而引起，或者由于建模误差而引起。

Description

用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统。
背景技术
已知燃气涡轮机是这样的机器，它包括一级或多级离心压气机，也可选择在该离心压气机的一级或多级之前有跨音速轴流级(对于具有较低功率水平的燃气涡轮机)；或者包括多级轴流级(对于具有中等或较高功率水平的燃气涡轮机)，或者包括组合级，其中在几个轴流级后面有离心级(对于具有中等功率水平的燃气涡轮机)。
尤其是，在单轴燃气涡轮机中，所有的压气机和涡轮膨胀机本体都安装在同一个轴上，它也是用户机器的轴。
液体或气体燃料通过喷射器喷射到燃烧室内部，考虑到需要使该燃烧室的出口处的燃气温度大大低于在化学当量匹配情况下燃烧的相应温度，因此，普通结构的燃烧室自身有燃烧管，一部分空气主要通过涡旋单元而引入该燃烧管的前部区域，以便开始燃烧，并产生热燃气回流区域。
为了完全燃烧，还一部分空气流通过燃烧管中的第一系列孔而引入，在下游，其余部分的空气逐渐与燃烧过的燃气混合，直到在燃烧室出口处达到合适温度。
将达到最高温度的内部燃烧管在结构上与外部罩分离，该外部罩承受很高的压力差；因此，在工业使用中，通常采用的燃烧室是单室，即几个燃烧管装于单个罩内。
此外，在外部燃烧的燃气涡轮机中，气体在加热器内部加热，该加热器在概念上与蒸汽发生器类似。
特别是，在具有中等和较高功率水平的燃气涡轮机中，实际的涡轮机或涡轮膨胀机是多级轴流类型，并有与蒸汽涡轮机的叶片类似的叶片，除了材料选择不同，燃气涡轮机的涡轮机叶片必须有最佳的耐高温机械性能以及抗腐蚀性，因此，通常用超级合金制成，或者将承受最高温度的第一级分配器叶片由陶瓷材料制成。
为了使最大温度不要太高，将使用由压气机吸入的空气进行冷却处理，冷却空气在槽道中循环，该槽道布置在叶片根部之间以及转子盘表面中；只有使叶片的整个表面进行冷却，才允许采用更高温度的燃气。为了提高火焰的稳定性，通常还提供了平行燃料供给系统，该平行燃料供给系统可以在混合管的出口附近产生引燃火焰，这样，高温、高压燃气通过相应管道到达不同涡轮机极，该涡轮机极将燃气的焓转变成用户可用的机械能。
在任何情况下，用于发电的燃气涡轮机通常承受电负载的突然变化，该电负载突然变化由于机器开关接通而引起，或者当它们与独立网连接时由于用电变化而引起。
特别是，在突然增加负载的过程中，计算获得的火焰温度突然增加，它将高于允许的限制值。
因此，目前使用的控制系统基于使用预定函数，该预定函数表示分配器叶片位置与轴流压气机的速度或校正速度之间的关系，或者与用于调节涡轮机排气温度的方法之间的关系，这样的控制系统在过渡工作状态和正常运行时，在使计算的火焰温度保持低于预计界限方面还不能达到合适的性能水平。
发明内容
因此，本发明的目的是消除前述缺点，尤其是提供一种用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统，该系统在由于机器开关接通或用电改变而引起电负载突然变化后可以限制火焰温度峰值。
本发明的另一目的是提供一种用于控制和调节燃气涡轮机的火焰温度的系统，该系统供给液体和/或气体燃料，还可以获得良好的火焰稳定性，并降低燃烧室中的压力振荡。
本发明的另一目的是提供一种用于控制和调节燃气涡轮机的火焰温度的系统，该系统保证燃烧效率很高。
本发明的还一目的是提供一种用于控制和调节的系统，该系统可以增加高温部件的平均使用寿命。
本发明的另一目的是提供一种用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统，该系统特别可靠、简单和有作用，且考虑到所获得的优点，还能够以相对较低的生产制造成本来实现。
本发明的这些和其它目的通过提供一种用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统来实现，该类型的系统包括至少一个第一直接作用支路或调节器，它包括至少一个计算块，该计算块可以从一系列预定参数开始建立所述燃气涡轮机的功能的数学模型，其特征在于：所述系统还包括一个第二反馈支路或调节器，该第二反馈支路或调节器可以校正所述直接作用调节器中的任何不准确性，该不准确性由于涡轮机的性能相对于所述数学模型的预定性能发生变化而引起，或者由于建模误差而引起。
在本发明的其他方面，所述单轴燃气涡轮机包括：串联相接的一轴流压气机，该压气机可以传送加压的冷却空气；一用于气体燃料的加热器和一轴流涡轮机，所述加热器具有截头锥形的头部，主燃烧区域紧接地设置在该头部的下游。所述调节器根据所述轴流涡轮机的排气温度、根据可燃气体流量、根据所述轴流涡轮机的速度以及根据空气进入所述轴流涡轮机中的温度而调节分配器的所述叶片的位置。所述分配器叶片安装在所述轴流涡轮机的本体上，并在所述分配器的内环和外环之间，以便保证经过该叶片的空气和/或燃料流具有预定方向，所述轴流涡轮机也支承一系列转子旋转叶片。关于可燃气体流量、所述燃气涡轮机的进口空气温度和所述燃气涡轮机的速度的数值的信号输入所述计算块中，所述信号在相应转换器的输出中获得，所述转换器的输入由直接在所述燃气涡轮机上测量的所述相应信号而形成。所述计算块还具有在输入处的至少另一个信号，它表示所述燃气涡轮机的排气的合适温度值。所述计算块供给输出信号，该输出信号表示所述分配器叶片的估算位置值，为了获得所述燃气涡轮机排气的合适温度值以及气体流量信号、燃气涡轮机速度和进入燃气涡轮机的空气的温度的当前值，同时使火焰温度低于预定界限值，需要该分配器叶片的位置估算值。所述反馈支路包括至少一个比例积分调节器，该比例积分调节器具有作为输入的误差信号，该误差信号是作为排气所需温度值和当前值之间的差而获得的，该当前值包括在所述燃气涡轮机的转换器的输出中采集的信号。所述比例积分调节器具有一输出信号，该信号添加到所述测量器块的输出信号中，以便获得所述分配器叶片的位置的校正估算值，为了获得涡轮机排气的所述合适温度值以及流量信号、速度和空气温度的所述当前值，同时使火焰温度低于所述预定界限值，需要该分配器叶片的校正估算值。所述反馈支路的所述比例积分调节器可以校正所述直接作用支路的不准确性，所述不准确性由于燃气涡轮机的性能相对于形成燃气涡轮机的数学模型的所述计算块的预定性能发生变化而引起，或者由于建模误差而引起。所述反馈支路可以根据燃气涡轮机的入口空气温度或该燃气涡轮机的排气温度以及根据所述加热器的可燃气体流量来调节所述分配器叶片的位置，这样，在过渡工作状态和正常运行时，所述燃气涡轮机调节系统可以在使计算获得的火焰温度保持低于预计界限值方面获得到优化控制。
优选是，可以调节燃气涡轮机的可变几何形状分配器的叶片，该叶片也称为VIGV(“可变进口引导叶片”)，以便能够使它们相对于允许进入压气机的空气方向呈现合适角度，以便从压气机速度、空气流量和输送到加热器的燃料的流量方面提高整个燃气涡轮机的性能水平。
尤其是，本发明的控制系统可以限制这样现象的发生，根据该现象，在负载突然增加时，计算获得的火焰温度突然增加，该计算的火焰温度将高于预定限制值。
特别是，通过保证分配器叶片(VIGV)的位置取决于涡轮机排气温度的调节、取决于可燃气体流量、取决于涡轮机速度和取决于允许进入涡轮机的空气的温度，从而获得到合适控制，以便对整个燃气涡轮机进行非常准确的建模。
附图说明
通过下面对非限定实施例的说明并参考附图，可以更清楚用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的本发明系统的特征和优点，附图中：
图1是普通类型的单轴燃气涡轮机的示意侧视图；
图2是图1的涡轮机的、与转子盘的表面部分相对应的部分的局部剖示意图；以及
图3是用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的本发明系统的非限定实施例的工作方框图。
具体实施方式
特别参考图1和2，燃气涡轮机18基本包括一轴流压气机10、一具有较低污染物排放的气体燃料加热器(heater)11以及一已知类型的轴流涡轮机12。
在所示实施例中，加热器11有截头锥形的头部，实际燃烧区域或主火焰区域紧接在该头部的下游。
该组件还由用于冷却空气的空间包围，该冷却空气通过轴流压气机10增压，并沿图2中箭头F所示方向流动，该方向与燃烧产物从加热器11中流出的方向相反。
在涡轮机12的本体上还装有：一系列分配器叶片(VIGV)13或第一级分配器叶片(它承受最大温度)，这些分配器叶片在分配器的内环14和外环15之间，并安装在分配器保持环17上；以及一系列转子旋转叶片16，这些旋转叶片可以选择与支承它们的盘形成一体。
分配器叶片13保证经过该叶片的空气和/或燃料具有预定的流动方向，以便有助于使主火焰稳定。
最后，在燃烧区域，可以安装一系列并联燃烧器，这些燃烧器可以产生相应环形的一系列附加火焰，该附加火焰与中心主火焰同心。
特别是，冷却空气通过轴流压气机10压缩，并冷却燃烧室或加热器11，这样，进入预混室的空气被加热，从而作为燃烧用于空气。
此外，在图中没有详细表示喷射装置，该喷射装置供给液体燃料，从而形成中心或主燃烧火焰，而通过供给附加液体燃料，处于外周的一系列的燃烧器在燃烧室11的、紧接在截头锥形头部下游的区域中产生相应环形的一系列附加引燃火焰，该附加引燃火焰与中心主火焰同心。
本发明所述解决方案的目的是在负载突然变化后通过合适控制具有可变几何形状的分配器叶片13的位置而限制火焰温度峰值。
特别是，叶片13的控制通过例如图3示意表示的调节系统来进行。如图中清晰可见，该系统包括总体以20表示的反馈支路以及以21表示的直接作用支路。
直接作用支路又包括计算块22，该计算块22执行燃气涡轮机18的简化运行模式，并通过所提供的促动器完成。
以23、24、25表示并分别涉及可燃气流量、涡轮机12进口空气温度和涡轮机12转速的信号输入块22；所述信号在相应转换器26、27、28的输出中获得，这些转换器26、27、28的输入29、30、31由直接对燃气涡轮机18进行测量的相应信号形成。
块22的另一输入由信号32表示，它表示涡轮机排气温度的希望值。该块22还提供作为输出的信号33，该信号33表示分配器叶片13的位置的估算值，为了获得涡轮机排气的温度的合适值(信号32)以及气体流量信号、涡轮机速度和涡轮机进口空气温度的当前值29、30、31，同时使火焰温度低于预定界限值，需要该分配器叶片13的位置估算值。
控制系统还包括反馈支路20，该反馈支路20包括比例积分调节器(PI调节器)，在图3中，该比例积分调节器总体以34表示，在它的输入处有误差信号35，该误差信号35是在排气所需温度值(信号32)和当前值38之间的差，该当前值38实际上包括在转换器37的输出中采集的信号36。
然后，调节器34的输出(信号39)添加到测量器块22的输出信号33中，以便获得分配器叶片13的位置的校正估算值(信号40)，为了获得涡轮机排气的温度的合适值(信号32)以及流量信号、速度和空气温度的当前值(信号29、30、31)，同时使火焰温度低于预定界限值，需要该分配器叶片13的校正估算值。
因此，反馈支路20的调节器34可以校正直接作用控制(支路21)的任何不准确性，这通过预定函数实现，因此，分配器叶片13的位置取决于轴流压气机10或涡轮机12的速度或校正速度值。
实际上，直接作用支路21的所述潜在不准确性是由于机器性能相对于由形成燃气涡轮机18的计算模型的块22设计的性能发生变化而引起，或者由于建模误差而引起，因此，存在另一反馈支路20可以使叶片13(VIGV)的位置不仅取决于对可以进入涡轮机12或从涡轮机12排出的空气温度的调节，而且取决于加热器单元11的可燃气流量。
因此，在燃气涡轮机中采用所述调节系统可以通过优化控制获得极好的结果，通过该装置，在过渡工作状态和正常运行情况下，都可以在使计算获得的火焰温度保持低于预定界限方面获得良好的性能水平，象在进行模拟时的预定情况那样。
通过前述说明，可以清楚用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的本发明系统的特征，还可以清楚它的相应优点，这些优点包括：
降低污染物排放水平；
降低燃烧室内的压力振荡，并使火焰具有很好的稳定性；
燃烧效率较高；
增加了高温部件的平均使用寿命；
简化了使用，并能可靠使用；
与现有技术相比具有相对较低的制造和维护成本；以及
使计算获得的火焰温度保持低于预定界限值。
最后，应当知道，这样设计的、用于控制和调节单轴燃气涡轮机的火焰温度的系统可以进行多种变化和改变，这些变化和改变都在本发明的保护范围内。
此外，所有的零件都可以由技术等效的元件代替，在实践中，根据技术要求可以采用任何测量、形状和尺寸。
本发明的保护范围由附加权利要求确定。

Claims (11)

1.一种用于控制和调节单轴燃气涡轮机(18)的火焰温度的系统，该类型的系统包括至少一个第一调节器或直接作用支路(21)，它包括至少一个计算块(22)，该计算块可以根据一系列预定参数来建立所述燃气涡轮机(18)的数学函数模型，其特征在于：所述系统还包括至少一个第二调节器或反馈支路(20)，该第二调节器或反馈支路可以校正所述直接作用调节器(21)的任何不准确性，该不准确性由于燃气涡轮机(18)的性能相对于所述数学模型的预定性能发生变化而引起，或者由于建模误差而引起；所述第一(21)和第二调节器(20)作用于所述燃气涡轮机(18)第一级的、具有可变几何形状的分配器叶片(13)，以便能够使这些叶片相对于进入所述燃气涡轮机(18)的压气机单元内的空气方向呈现预定角度，以便在负载突然增加时使火焰温度的增加限制在预定值内。
2.根据权利要求1所述的控制和调节系统，其特征在于，所述单轴燃气涡轮机(18)包括：串联相接的一轴流压气机(10)，该压气机可以传送加压的冷却空气；一用于气体燃料的加热器(11)和一轴流涡轮机(12)，所述加热器(11)具有截头锥形的头部，主燃烧区域紧接地设置在该头部的下游。
3.根据权利要求2所述的控制和调节系统，其特征在于：所述调节器(20、21)根据所述轴流涡轮机(12)的排气温度、根据可燃气体流量、根据所述轴流涡轮机(12)的速度以及根据空气进入所述轴流涡轮机(12)中的温度而调节分配器的所述叶片(13)的位置。
4.根据权利要求2所述的控制和调节系统，其特征在于：所述分配器叶片(13)安装在所述轴流涡轮机(12)的本体上，并在所述分配器的内环(14)和外环(15)之间，以便保证经过该叶片的空气和/或燃料流具有预定方向，所述轴流涡轮机(12)也支承一系列转子旋转叶片(16)。
5.根据权利要求1所述的控制和调节系统，其特征在于：关于可燃气体流量、所述燃气涡轮机(18)的进口空气温度和所述燃气涡轮机(18)的速度的数值的信号(23、24、25)输入所述计算块(22)中，所述信号(23、24、25)在相应转换器(26、27、28)的输出中获得，所述转换器(26、27、28)的输入(29、30、31)由直接在所述燃气涡轮机(18)上测量的所述相应信号而形成。
6.根据权利要求5所述的控制和调节系统，其特征在于：所述计算块(22)还具有在输入(32)处的至少另一个信号(32)，它表示所述燃气涡轮机(18)的排气的合适温度值。
7.根据权利要求6所述的控制和调节系统，其特征在于：所述计算块(22)供给输出信号(33)，该输出信号(33)表示所述分配器叶片(13)的估算位置值，为了获得所述燃气涡轮机(18)排气的合适温度值以及气体流量信号、燃气涡轮机(18)速度和进入燃气涡轮机(18)的空气的温度的当前值(29、30、31)，同时使火焰温度低于预定界限值，需要该分配器叶片(13)的位置估算值。
8.根据权利要求7所述的控制和调节系统，其特征在于：所述反馈支路(20)包括至少一个比例积分调节器(34)，该比例积分调节器具有作为输入的误差信号(35)，该误差信号(35)是作为排气所需温度值(32)和当前值(38)之间的差而获得的，该当前值(38)包括在所述燃气涡轮机(18)的转换器(37)的输出中采集的信号(36)。
9.根据权利要求8所述的控制和调节系统，其特征在于：所述比例积分调节器(34)具有一输出信号(39)，该信号(39)添加到所述测量器块(22)的输出信号(33)中，以便获得所述分配器叶片(13)的位置的校正估算值(40)，为了获得涡轮机排气的所述合适温度值(32)以及流量信号、速度和空气温度的所述当前值(29、30、31)，同时使火焰温度低于所述预定界限值，需要该分配器叶片(13)的校正估算值。
10.根据权利要求9所述的控制和调节系统，其特征在于：所述反馈支路(20)的所述比例积分调节器(34)可以校正所述直接作用支路(21)的不准确性，所述不准确性由于燃气涡轮机(18)的性能相对于形成燃气涡轮机(18)的数学模型的所述计算块(22)的预定性能发生变化而引起，或者由于建模误差而引起。
11.根据权利要求10所述的控制和调节系统，其特征在于：所述反馈支路(20)可以根据燃气涡轮机(18)的入口空气温度或该燃气涡轮机(18)的排气温度以及根据所述加热器(11)的可燃气体流量来调节所述分配器叶片(13)的位置，这样，在过渡工作状态和正常运行时，所述燃气涡轮机(18)调节系统可以在使计算获得的火焰温度保持低于预计界限值方面获得到优化控制。
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